某型设备低噪声优化设计*

朱 鹏，黄 巍，曾柯杰，刘启航

(中国电子科技集团公司第三十研究所， 四川 成都 610041)

引 言

近年来，电子机械发展迅速，电子、信息设备呈现集成化、小型化、高功率化、轻量化等发展趋势。随着使用环境、人机舒适性等要求的提升，电子机械迎来新的发展需求——低噪声化，即电子、信息设备的噪声要求越来越低。当前，电子、信息设备以风机强迫散热为主，设备噪声主要由风机产生。电子机械的集成化、小型化、高功率化、轻量化对风机强迫散热的依赖更大，风机使用需求增多，这就造成了设备噪声量级的不断提高，在噪声指标要求较为严格的安装环境，设备将很难满足噪声要求。

以某型设备为例，将传统的主机、功放及电源等集成为一体，体积缩小近2/3，设备功率高、热功耗大、热源集中，采用风机强迫散热，整机噪声较大。为满足新环境的使用要求，需对设备进行低噪声优化设计，要求平均A声压级噪声≤40 dB。为解决高功耗、大风量、高噪声设备的低噪声化设计问题，设备从设计顶层进行全面考量，在综合均衡散热、电磁兼容等要求的前提下满足噪声指标要求。

1 设备概况

1.1 设计概况

某型设备为19″标准上架式设备，高度为4U(177 mm)，机箱宽度420 mm，机箱深度420 mm。设备采用模块化设计，包含功放模块、电源模块等9个插件，从上往下装入机箱。整机功率约680 W，热功耗约436 W，功放模块、电源模块为主要热源。整机风道设计为前进后出，机箱两侧(主要)、前面板(次要)开设进风孔，机箱后侧安装风机组进行抽风散热，电源模块内部设计风机强化其独立风道，如图1所示。

图1 某型设备散热设计图

某型设备以散热设计为重点，风机选型时主要考虑散热需求，后面板设计安装了4个风机，电源模块内部设计安装了2个风机，风机的参数见表1。

表1 风机参数(优化前)

1.2 噪声测试

按照相关标准对某型设备进行噪声测试，测试点分布如图2所示。

图2 噪声测试点位置图

各测试点的声压级为Li，设备的平均声压级噪声L为

L=10lg[(10L1/10+10L2/10+…+10Ln/10)/n]

(1)

通过测试及计算，在20 Hz～10 kHz频率范围内，某型设备的平均A声压级噪声为45 dB。

2 低噪声优化设计

某型设备的噪声主要由风机产生，包含风机叶片的旋转噪声、风道涡流噪声、风道扰流噪声及风机振动噪声等。

通过上述测试得知此设备的噪声为45 dB，与要求的40 dB差距较大，所以在低噪声优化设计时，应从降低空气噪声与结构噪声两个方面入手，综合考虑噪声源和传播路径对整机噪声的影响。首先对风机进行降噪(降速)的优化选型，以降低噪声源的噪声量级；同时对风道与进、出风口进行匹配优化设计以降低空气噪声，对风机安装进行减振设计抑制共振产生，降低结构噪声。

2.1 风机选型优化

理想情况下，在声场中某点有n个声源共同作用，各声源的声压为LPi，则理想总声压级LP′为

(2)

某型设备的6个风机可近似理想为6个声源的共同作用，设后面板的风机噪声为LP1，电源风机的噪声为LP2，则理想总声压级LP′为

(3)

设LP1

LP1+10lg(4+2×10ΔLP/10)

可知，2种风机的噪声差ΔLP越大，噪声较大的声源对整机的噪声贡献越大。原设计中，后面板风机噪声大于电源风机噪声，应优先对后面板风机进行重新选型，选择噪声较低的风机，优化后的风机参数见表2。

表2 后面板风机参数(优化后)

2.2 风道优化

涡流噪声与风道关系极大，整机风道流畅、无紊乱现象产生，风机的涡流噪声就越低。

某型设备的电源风机安装于设备内部，处于整机风道之中，其作用为强化模块内部风压。所以，电源风机应匹配后面板风机选型，选择风速相近的风机，以减弱局部的紊乱现象，降低风机涡流噪声。因后面板风机、电源风机的截面积(80 mm × 80 mm)相同，所以选择转速、风量相近的风机，优化后的电源风机参数见表3。

表3 电源风机参数(优化后)

2.3 共振抑制

噪声由振动产生，产生声音的振动物体称为声源。当声源的振动频率与安装零件的固有频率相同时，会发生共振现象，噪声会明显增大。所以声源的安装零件应强度可靠，避免共振现象的发生。

以后面板风机(BP802512H-VLWF01)为例，转速2 100 r/min，叶片数量为7，则风机的基础频率f1=7 × 2 100/60=245 Hz。考虑4倍频率范围，风机安装零件的固有频率应大于980 Hz。

原设计中，后面板风机安装支架采用1 mm的不锈钢板折弯而成，四角未焊接，共振频率较低，存在共振隐患。对后面板风机安装支架进行优化设计，采用1.5 mm的不锈钢板折弯，四角进行焊接加固，提高共振频率，降低共振的可能。

某型设备的电源风机安装零件由铝合金加工而成，最薄处板厚≥2 mm，强度可靠，共振频率较高，共振隐患的较小。

2.4 扰流抑制

风通过棱边时，会出现扰流现象，局部噪声增加，设计中应避免。

某型设备的功放模块、电源模块均自带散热器，将散热齿的进、出风处进行圆角处理能避免扰流现象的噪声增加。

2.5 减振安装

风机为振动的物体，安装面设计安装柔性减震材料(例如，1 mm厚的硅橡胶板)，有效避免局部的振动噪声增量。

2.6 进/出风口优化

在风机选型优化设计后，某型设备的风机的风压、风量较原设计有较大程度的降低，所以需对整机的进、出风口进行优化设计，以提高通风量、降低风压。原设计中，进、出风处采用多孔板设计，通风率较低。将多孔板替换为蜂窝波导板，通风率极大提高，进、出风口的通风量显著提升。多孔板与蜂窝波导板的参数比较见表4。

表4 通风率比较

3 仿真分析

本文利用Ansys仿真平台的Mechanical力学分析模块对风机安装支架进行有限元模态分析，利用Icepak对整机进行流场与温度场的仿真分析。

3.1 Mechanical仿真

利用Ansys的Mechanical力学分析模块对风机支架进行有限元模态对比分析。

将风机安装支架的UG模型导入Ansys经典界面后进行材料属性、边界条件的加载，模拟真实安装方式，对8个螺钉孔全自由度完全约束。

优化前的风机安装支架的一阶模态计算结果如图3所示。

图3 风机安装支架(优化前)的模态计算

优化设计后的风机安装支架的1阶模态计算结果如图4所示。

图4 风机安装支架(优化后)的模态计算

由结果可知，优化前的风机安装支架的1阶固有频率为951.668 Hz,与风机的4倍频980 Hz较接近，存在耦合共振的风险。优化后的风机安装支架1阶固有频率为1 549.39 Hz，大于980 Hz，避免了与风机的耦合共振的风险。

3.2 Icepak仿真

利用Icepak仿真工具对某型设备进行流场与温度场的仿真分析。建立标准风机模型，建立长方形测试风道，将风道的前后加载面卸载用以模拟设备上架机柜后的情况，优化前的流场分布如图5所示。

图5 流场图(优化前)

更新风机参数，优化后的流场分布如图6所示。

图6 流场图(优化后)

由仿真结果可见，优化前的电源模块进、出风处黄色区域较大，流速不均匀，紊乱现象明显，风机涡流噪声较大；优化后的电源模块进、出风流速均匀，无明显紊乱现象，有效降低了风机涡流噪声。

设环境温度为20 ℃，设备温度场仿真结果如图7所示。

图7 温度场图

由仿真结果可见，低噪声优化设计后的某型设备的功放芯片的温度为73 ℃，电源模块的温度为61 ℃，敏感器件在许用温度范围内，可实现长期稳定工作，满足使用要求。

4 结果验证

4.1 噪声结果验证

通过风机选型、风道优化、共振抑制、扰流抑制、减震安装等低噪声优化设计后，某型设备的噪声降低明显。按照相关标准进行噪声测试，在20 Hz～10 kHz频率范围内，设备的声压级(A声级)噪声为39.3 dB，比优化前降低了约5.7 dB。测试结果的频谱图如图8所示。

图8 噪声测试频谱图

设优化前、后的理想总声压级为L前′、L后′，则理想总声压级的噪声降低量ΔL为

ΔL=L前′-L后′

(5)

某型设备的理想总声压级(A声级)的噪声优化降低量约为2.41 dB，低于实际噪声降低量(5.7 dB)，可知风道优化、共振抑制、扰流抑制、减振安装等优化措施降噪效果明显。

4.2 温度结果验证

采用多通道温度测试仪TP9032U，对某型设备的功放芯片、电源模块进行温度监测。环境温度22 ℃时，在满功率发射状态下工作1 h后，功放芯片的温度为76 ℃，低于该芯片的允许工作高温(≤150 ℃)；电源模块的温度为63 ℃，低于该模块的允许工作高温(≤105 ℃)，满足设计要求。

可知，某型设备更换较低噪音的风机后，风压、风量有所下降，但经过风道优化、进/出风口优化后，降低了设备内部风阻，减弱了风道的紊乱等现象，使风机的工作点在PQ曲线上朝着高风量低风压趋势移动，提高了散热效率。

5 结束语

电子机械的低噪声化已逐渐成为电子、信息设备的主要设计指标之一，在兼顾散热、振动、冲击等环境指标的同时满足低噪声已成为电子机械的设计难点之一。本文从风机选型、风道优化、共振抑制、扰流抑制、减振安装等方面进行了低噪声化的系统设计，以有限元动力学模态仿真、热学流体仿真为设计优化工具，采用理论计算与仿真模拟相结合的手段，实现低噪声设计，其优化效果在某型设备设备上得到了验证，具有一定的工程实践指导意义。